采用三掩模工艺的二维 PZT MEMS 谐振扫描仪

本工作提出了一种新型架构的紧凑型二维（2D）谐振 MEMS 扫描镜的设计、仿真、制造和表征，该扫描镜由薄膜锆钛酸铅（PZT）驱动。该器件采用创新的机械耦合双轴架构，在沉积 SOI-PZT 的晶圆上通过三掩模工艺制造，在实现高性能的同时显著降低了系统复杂性。该扫描仪在 7 $\times$ 4.7 mm 的芯片内集成了一个 1 $\times$ 1.4 mm 的椭圆形反射镜，由针对 12 V$_{\mathrm{p-p}}$ 周期脉冲驱动下 3.6 kHz（垂直）和 54.2 kHz（水平）谐振工作优化的 PZT 薄膜元件驱动。该系统在垂直和水平方向分别实现了 4.8$^\circ$ 和 11.5$^\circ$ 的光学扫描角，品质因数分别为 750（垂直）和 1050（水平）。这些数值带来了 24.2 deg$\cdot$mm$\cdot$kHz（垂直）和 623 deg$\cdot$mm$\cdot$kHz（水平）的高扫描带宽-效率乘积，在已报道的 2D PZT-MEMS 扫描仪中处于较高水平。有限元分析证实了极小的应力和镜面变形，实验验证表明与仿真结果高度一致。该架构通过达到此类系统所要求的性能水平，证明了高分辨率激光扫描的可行性，可满足如 OCT、LiDAR 和显示器等应用的需求。